Теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.
Раздел 2. Физика.
Тема 2.4.
Элементы квантовой физики. (2 ч.)
Строение атома, атомное ядро.
Квантовая физика.
Фотоэффект и фотоны.
Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы.
Строение атома, атомное ядро.
В конце XIX - начале XX века физики доказали, что атом является сложной частицей и состоит из более простых (элементарных) частиц. Были обнаружены:
1. катодные лучи (английский физик Дж. Дж. Томсон ,1897 г.), частицы которых получили название электроны e- (несут единичный отрицательный заряд);
2. естественная радиоактивность элементов (французские ученые - радиохимики А. Беккерель и М. Склодовская-Кюри, физик Пьер Кюри, 1896 г.) и существование α-частиц ( ядер гелия 4He2+);
3. наличие в центре атома положительно заряженного ядра (английский физик и радиохимик Э. Резерфорд , 1911 г.);
4. искусственное превращение одного элемента в другой , например азота в кислород (Э. Резерфорд , 1919 г.). Из ядра атома одного элемента (азота - в опыте Резерфорда) при соударении с α-частицей образовывалось ядро атома другого элемента (кислорода) и новая частица, несущая единичный положительный заряд и названная протоном (p+, ядро 1H)
5. наличие в ядре атома электронейтральных частиц - нейтронов n0 (английский физик Дж. Чедвик , 1932 г.). В результате проведенных исследований было установлено, что в атоме каждого элемента (кроме 1H) присутствуют протоны , нейтроны и электроны , причем протоны и нейтроны сосредоточены в ядре атома, а электроны - на его периферии (в электронной оболочке).
|
|
|
Электроны принято обозначать так : e−. Электроны e−очень легкие, почти невесомые, но зато имеют отрицательный электрический заряд. Он равен -1. Электрический ток, которым все мы пользуемся - это поток электронов, бегущий в проводах.
Нейтроны обозначают так : n0 , а протоны так : p+ . По массе нейтроны и протоны почти одинаковы.
Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке атома и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе.
Атомное ядро− центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом.
Атомное ядро состоит из нуклонов - положительно заряженных протонов p+ и нейтральных нейтронов n0 , которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, часто называется нуклидом.
Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z - это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева .
|
|
|
Число нейтронов в ядре обозначается буквой N , а число протонов - буквой Z. Эти числа связаны между собой простым соотношением:
A = Z + N
Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A = N + Z и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева.
Ядра атомов с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.
Многие элементы имеют по одному природному изотопу, например, Be, F, Nа, Al, P, Mn, Co, I, Au и некоторые другие. Но большинство элементов имеют по два, по три и более устойчивых изотопа.
Например:
Ядра атомов с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов - называются изотонами.
Атомы различных элементов с одинаковой атомной массой-А называются изобарами.
Квантовая физика.
Квантовая физика (она же квантовая теория или квантовая механика) – это отдельное направление физики, которое занимается описанием поведения и взаимодействия материи и энергии на уровне элементарных частиц, фотонов и некоторых материалов при очень низких температурах.
Квантовое поле определяется как «действие» частицы, что по размеру находится в пределах величины крошечной физической константы, которая называется постоянной Планка.
|
|
|
Немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947) предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения: Е = hν, где коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка
h=6,63∙10-34Дж∙С.
Предположение Планка означало, что законы классической физики совершенно неприменимы к явлениям микромира.
В развитии представлении о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 – 1896). Явление это получило название фотоэффекта.
Фотоэффект и фотоны.
Фотоэффект это вырывание электронов из вещества под действием света.
Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро. Объяснить это можно так. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней, поэтому заряд электрометра не изменяется.
|
|
|
Законы фотоэффекта
1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Теперь остановимся на кинетической энергии (или скорости) электронов.
Задерживающее напряжение Uз зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов.
При изменении интенсивности (плотности потока) света задерживающее напряжение не меняется. Значит, не меняется и кинетическая энергия электронов.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Альбертом Эйнштейном (1879 – 1955), развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффект Эйнштейн увидел доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.
Явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E=hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hν идет на совершение работы выхода А, т.е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно.
Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света больше минимального значения νmin. Чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Энергия кванта должна Быть больше этой работы:
Предельную частоту vmin называют красной границей фотоэффекта.
Она выражается так:
Предельная частота фотоэффекта для разных вещества различна. Для цинка красной границе соответствует длина λmax = 3,7 10-7 м.
Фотоны.
Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном, или квантом, электромагнитного излучения.
Фотон обладает определенной порцией энергии. Энергию фотона часто выражают через циклическую частоту: Е = hν = ħω, где ħ = 1,0545726 ∙ 10-34 Дж ∙ с (ħ − читается «аш с чертой»).
Согласно теории относительности, энергия всегда связана с массой
E = hν, Е = mc2. Левые части равны, приравняем правые и найдем массу фотона:
По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс:
Фотон, или квант − световая элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом.
С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стало возможной передача движущихся изображений (телевидение).
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 98; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!